计算机网络

计算机网络—B站湖科大视频

网络协议栈 protocol stack

5层网络协议

应用层 HTTP协议（文档的请求传送） 、SMTP协议、FTP协议

运输层

TCP只能点对点全双工通信;UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP是一个面向无连接的协议，数据传输前，源端和终端不建立连接，发送端尽可能快的将数据扔到网络上，接收端从消息队列中读取消息段。UDP协议中，任何一方建立socket后，都可以用sendto发送数据、用recvfrom接收数据，不必关心对方是否存在，是否发送了数据。

首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。

并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。

再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。

UDP 服务器端不需要调用监听(listen)和接收(accept)客户端连接，而客户端也不需要连接服务器端(connect)。

TCP是面向连接的协议，在收发数据前必须和对方建立可靠的连接，建立连接的3次握手、断开连接的4次挥手，为数据传输打下可靠基础;

网络层

网祭协议IP

数据链路层

基本数据单位为帧

主要协议：以太网协议

网桥和交换机

物理层

激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层记住两个重要的设备名称，中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。

7层ISO OSI模型

应用层

表示层

会话层

运输层

网络层

数据链路层

物理层

传输层

传输层作用

运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）

运输层还要对收到的报文进行差错检测。

运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP

TCP/IP协议

TCP报文结构

传输协议

停止等待协议

停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低。假定AB之间有一条直通的信道来传送分组。

这里的TD是A发送分组所需要的时间（显然TD = 分组长度 / 数据速率）再假定TA是B发送确认分组所需要的时间（A和B处理分组的时间都忽略不计）那么A在经过TD+RTT+TA时间后才能发送下一个分组，这里的RTT是往返时间，因为只有TD是采用来传输有用的数据（这个数据包括了分组首部，如果可以知道传输更精确的数据的时间，可以计算的更精确），所有信道利用率为

流水线传输

分为：连续ARQ协议和滑动窗口协议

滑动窗口协议比较复杂，是TCP协议的精髓所在，在这里先给出ARQ协议最基本的概念，但不涉及到许多细节问题。

接收方一般采用累积确认的方式。即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。

累积确认有的优点是：容易实现，即使确认丢失也不必重传。缺点是：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。

TCP流量控制

利用滑动窗口机制可以很方便地在 TCP 连接上实现流量控制。

A 向 B 发送数据。在连接建立时，�B 告诉 A：“我的接收窗口 rwnd = 400（字节）”。看下TCP首部窗口字段的用处

TCP拥塞控制

在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏——产生拥塞(congestion)

乘法减小（multiplicative decrease）

“乘法减小“是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现一次超时（即出现一次网络拥塞），就把慢开始门限值 ssthresh 设置为当前的拥塞窗口值乘以 0.5。

当网络频繁出现拥塞时，ssthresh 值就下降得很快，以大大减少注入到网络中的分组数。

加法增大（addictive increase）

“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，在收到对所有报文段的确认后（即经过一个往返时间），就把拥塞窗口 cwnd增加一个 MSS 大小，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

快重传，块恢复

TCP有限状态机

网络层

IPv4

分类编址

IP地址最初根据网络前缀使用的地址位数和主机使用的地址位数，分为几个不同种类或类别。A类、B类和C类用于普通网络，D类指定用于IP组播流量，而E类则留出供实验使用。

CIDR编址

基本设置

细节计算

数据链路层

差错检测与纠正

循环冗余校验 Circle Redundancy Check 多项式校验

在标准的以太帧格式中，最后有4个字节长度的冗余位，用于存储CRC校验的值，这个冗余位又常称为帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）

生成多项式

下面以一个简单示例来展示CRC的计算过程：以g(x)为CRC-4=X4+X+1为例，此时除数P=10011。假设源数据M为10110011。在发送端将M左移4位，然后除以P。

计算得到的余数就是0100，也就是CRC校验码。将0100附加到原始数据帧10110011后，组成新帧101100110100发送给接收端。接收端接收到该帧后，会用该帧去除以上面选定的除数P，验证余数是否为0，如果为0，则表示数据在传输过程中没有出现差错。

载波监听CSMA

CSMA的基本思想是：要传输的站点首先听一听介质上是否有其他站点在传输(载波侦听)。 如果介质忙，那么必须等待；如果不忙，则传输。冲突之后需要后退并重传。主要有三种形式：1. 1-坚持CSMA 2. 非坚持CSMA 3. p-坚持CSMA.

CSMA/CD带冲突检测的CSMA协议

所谓带冲突检测的CSMA，就是CSMA/CD。这也是实际中使用的协议。它的具体思想是：在发送之前先监听信道。如果介质空闲，则马上传输。如果介质正在忙，则一直监听到信道空闲，立刻传输。如果检测到冲突，那么立刻停止传输，等待一个随机的时间，之后再重复上面的步骤。

如何检测到冲突？测到冲突其实很简单。消息发送的过程中主机进行监听，如果发现信道上面的电平值和自己发送端的电平值不相同，那么它就认为自己发送的时候有别人进行发送，也就是说信道发生了冲突。如图下 哪个端检测到冲突，那个端就发送JAM信号，并且中断自己的信号发送。这样过一段时间其他的发送端都能检测到自己的信号被冲突了，于是都停止发送了。于是各自随机后退，等待一段时间后重启监听和发送的过程。

局域网MAC地址

无论是局域网，还是广域网中的计算机之间的通信，最终都表现为将数据包从某种形式的链路上的初始节点出发，从一个节点传递到另一个节点，最终传送到目的节点。数据包在这些节点之间的移动都是由ARP（Address Resolution Protocol：地址解析协议）负责将IP地址映射到MAC地址上来完成的。Mac地址可以解决IP盗用的安全问题，交换机里面就是根据Mac地址进行发送和接受数据的。

如果一个以太网卡坏了，可以被更换，而无须取得一个新的IP地址。如果一个IP主机从一个网络移到另一个网络，可以给它一个新的IP地址，而无须换一个新的网卡。